Nand2Tetris 第 0 週 -- 課程簡介與的軟體安裝

課程簡介

From Nand to Tetris / Part I 這門課總共有七週，分為第 0 週到第 6 週，第 0 週的內容是課程簡介和軟體安裝，真正的實作還是從第 1 週開始的。

您可以從 nand2tetris 的網站上取得大部份的教材以及全部的軟體，即使沒有購買教科書，應該也不會有太大問題才對！

教材與投影片的網址如下。

• http://www.nand2tetris.org/course.php

其中包含 lecture 投影片，習題 project 1..12 ，以及教科書的 1..6 章與附錄 Ａ，這些內容至少可以讓我們修完 From Nand to Tetris / Part I 了。

如果您真的想學習這門課，一定要動手做習題，因為這是整門課最精彩的一部分。

軟體安裝

要能完成這些習題，我們必須安裝 Nand2Tetris 專門為課程所設計的軟體，包含 Hardware Simulator, CPU Emulator, VM Emulator, Assembler, Compiler, Operating system, Text Comparer 等等，您可以從以下網址取得這些以 GPL 方式授權的開放原始碼軟體。

• http://www.nand2tetris.org/software.php

其中 Hardware Simulator, CPU Emulator, VM Emulator, Assembler 等軟體是有圖形化界面的，而 Compiler, Operating system, Text Comparer 則是命令列程式。

您可以點選其中的 Download the Nand2tetris Software Suite 連結下載所有程式，下載後會發現是一個名為 nand2tetris.zip 的壓縮檔，解開後會得到 tools 與 projects 等兩個資料夾，其中的 tools 裡包含了所有的工具軟體，在 Part I 裡我們需要使用 HardwareSimulator , CPUEmulator 等兩個工具。

nqu-192-168-61-142:nand2tetris mac020$ cd tools
nqu-192-168-61-142:tools mac020$ ls
Assembler.bat        JackCompiler.bat    VMEmulator.sh
Assembler.sh        JackCompiler.sh     bin
CPUEmulator.bat        OS          builtInChips
CPUEmulator.sh        TextComparer.bat    builtInVMCode
HardwareSimulator.bat    TextComparer.sh
HardwareSimulator.sh    VMEmulator.bat

HardwareSimulator 是用來測試我們所寫的『 HDL 硬體描述語言』所使用的，此處的『硬體描述語言』 並不是常見的 Verilog 或 VHDL，而是 nand2tetris 團隊所設計出來的『簡易陽春版 HDL』，稱為 HackHDL 。

講到這裡，勢必有人會覺得幹嘛要用這種『陽春版HDL 』，而不用專業的 Verilog 或 VHDL 呢？

原本我也有這種想法，但是真正開始做習題之後，才發現這是非常棒的一種做法！

因為『陽春版HDL 』沒有那些高級的 if, for, always 等等語法，只能用元件與線路連接的方式來寫，因此強迫我們必須從頭到尾自己重做一遍，這樣就能很清楚每個元件的原理與設計方法，而不是用一些神奇的語法掩蓋了某些知識上的盲點。

所以，即使您已經會了 Verilog 或 VHDL ，也請耐住性子，退化到最原始的狀態，開始來細細品味這種『陽春版HDL 』的好處，強迫自己重新瞭解數位電路的設計原理。

上述的軟體幾乎 100% 都是用 java 寫的，因此您必須安裝 Java JDK 才能執行這些程式，您可以從下列 Java 的官方網站取得符合您作業系統與處理器的 JDK 軟體來安裝。

• http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/jdk8-downloads-2133151.html

在前面幾週的課程，您主要會用到 HardwareSimulator 來測試寫出來的 HDL 硬體描述檔，HardwareSimulator 的用法可以參考下列的使用手冊。

• Hardware Simulator Tutorial (PDF)

當您安裝完 JDK 之後，在 windows 底下只需要在對應的 .bat 程式上按兩下就可以啓動該程式了，至於 Linux/Mac 則必須要將 .sh 檔的權限修改為可執行 (chmod 777 <filename>) 之後在打入該 .sh 檔名稱去執行它。

至於另一個 projects 資料夾，則是 nand2tetris 為您準備好的習題框架，舉例而言，在 projests/01/And16.hdl 檔案當中的內容如下所示。

// This file is part of www.nand2tetris.org
// and the book "The Elements of Computing Systems"
// by Nisan and Schocken, MIT Press.
// File name: projects/01/And16.hdl

/**
 * 16-bit bitwise And:
 * for i = 0..15: out[i] = (a[i] and b[i])
 */

CHIP And16 {
    IN a[16], b[16];
    OUT out[16];

    PARTS:
    // Put your code here:
}

您必須在 // Put your code here: 那行後面開始填入程式，用 nand2tetris 的 HDL 語法來設計出 16 位元的 And16 元件，符合描述中所說的下列條件。

for i = 0..15: out[i] = (a[i] and b[i])

雖然第 0 週還沒教我們如何設計電腦硬體，但是為了讓大家都能習慣這些開發工具，老師還是出了一個很簡單的習題，就是要求我們要將位於 nand2tetris/projects/01/ 這個路徑中的 xor.hdl 檔案上傳，以便確定學員都已經下載軟體並且知道如何上傳作業了，該檔案的內容如下。

// This file is part of www.nand2tetris.org
// and the book "The Elements of Computing Systems"
// by Nisan and Schocken, MIT Press.

/**
 *  Exclusive-or gate: out = !(a == b).
 */

CHIP Xor {

    IN a, b;
    OUT out;

    PARTS:
    Nand (a=a, b=b, out= AnandB);
    Or   (a=a, b=b, out= AorB);
    And  (a=AnandB, b=AorB, out=out);
}

當您準備好這些軟體，並且看完本週的影片之後，就可以前進到第 1 週了。

對了，本來我打算在這期雜誌中將我寫的作業內容放上來，但是後來發現 http://www.nand2tetris.org/terms.php 這個網頁中有寫下列這段聲明：

Code Posting Policy

Therefore, we request that you don't post solutions publicly on the web, e.g. in blogs or forums. If your course instructor or organizer creates a private space in which work can be shared outside the public domain, that's fine. Likewise, you can share your work with others using a password-protected space, if it's permitted by the specific course in which you are enrolled.

因此我決定遵守 nand2tetris 的要求，不要把解答放上網，讓大家自己去體會學習與設計的樂趣，我想這樣應該會學得更好。

我想，我就是給學生太多答案了，所以很多學生都沒學好。

學習，應該就像這樣，自己去探索出答案，才能真正享受學習的過程，並且徹底學會這些知識。

下次，我也要改成這樣做！